Methodology and research of surface hardened layers of steel H12Mf (D2 aisi) Иван Христов Иванов, Стелиан Желев Георгиев

Methodology and research of surface hardened layers of steel H12Mf (D2 AISI)

Иван Христов Иванов, Стелиан Желев Георгиев

Въведение:

Известно е, че при обработката на металите с концентрирани енергийни потоци се формират структури и фази нехарактерни за класическата обемна термична обработка. При обработване на високолегирани инструментални стомани със стопяване на повърхността се получават големи количества остатъчен аустенит, вариращи от 82% [8] до над 90%[1]. Авторите [2] предлагат провеждането на повърхностна вибропластична деформация върху лазерно уякчени слоеве от инструментални стомани, което се получава увеличаване на твърдостта в зоната на въздействие. Експерименталните изследвания на плазмено закалена стомана Х12 подложена на повърхностна пластична деформация[1] показват, увеличаване на твърдостта на слоя, при запазване на количеството на остатъчния аустенит.

Трудностите, които възникват при изследването на тези повърхностни слоеве е малките обеми на въздействие. При използването на напречен шлиф се наблюдават множество от слоеве, а измерването на микротвърдостите е затруднено поради попадането на отпечатъка в множество от равнини на слоя. Провеждането на послоен микроструктурен и дюрометричен анализ е трудоемка задача, което прави този метод за изследване малко приложим.

Целта на настоящата работа е да се предложи методика и да се проведе изследване на повърхностно уякчени слоеве от стомана Х12МФ.
Методика на изследването:

На повърхностно плазмено-дъгово закаляване са подложени образци от стомана Х12МФ с размери 20х20х60 mm. Предварителната термична обработка е съгласно табл.1.

Повърхностното плазмено-дъгово уякчаване на образците от стомана Х12МФ бе извършено на съоръжение РМ6601П обезпечаващо линейното движение на плазмотрона. Плазмообразуващия и защитния газ е аргон.

Режима на плазмено-дъгово закаляване е представен в табл.2.
Табл. 2. Параметри на режима на плазмено-дъгово закаляване

Скорост на транслация, V mm/s	Плътност на мощността, Ns W/cm2	Разход на плазмообразуващ газ, Q, l/min	Разстояние между челото на плазмотрона и повърхността, H, mm
4÷10	1,5÷1,7*104	4÷6	2

Повърхностната еластично-пластична деформация е извършена върху универсална фрезова машина при въртеливо движение на инструмента и постъпателно на образеца. Инструментът е закрепен ексцентрично, при което се получава ширина на деформираната полоса от 15 mm. Деформационното въздействие се извършва от сферично тяло с диаметър d=10,5 mm, като силата на въздействие F=650N е осъществена от предварително тарирана пружина. Деформиращото въздействие върху повърхността на тялото се извършва при скорост на въртене 250 min^-1, диаметър на кръга D=15 mm и линейна скорост 12,5 mm/min. Броя на преходите N на деформиращия елемент е определен по закона (1):

N=2ⁱ, i=1÷5 (1)
С
хема на проведената повърхностна пластична деформация е показана на фиг.1
Извършения дюрометричен анализ е при 0,2,4,8,16 и 32 деформиращи прехода на инструмента. За получаването на по-точни резултати от изследването на изменението на микротвърдостта в дълбочина бе изработен “кос” шлиф показан на фиг.2.





фиг.2. Схема на кос шлиф 1-повърхностно деформирана зона, 2-плазмено закалена зона, 3-основен метал
Образецът е шлифован под ъгъл 0,014^о на дълбочина 0,3 mm, при което се получава достатъчно голяма площ в дълбочина за извършване на послоен дюрометричен анализ.

Структурата е проявена с 3%-ен разтвор на HNO₃ в етилов алкохол. Микротвърдостите са измерени по метода на Викерс с изпозването на микротвърдомер ПМТ3 с натоварване от 100g. Микроструктурите са заснети на оптичен микроскоп NEOPHOT 32, а електронномикроскопските изследвания са проведени на сканиращ електоронен микроскоп JOEL–JXA-50A с увеличение до 4000 пъти.

П
ри провеждане на плазмено-дъговото въздействие се формират няколко зони – стопена, зона с частично разтопяване, закалена от твърдо състояние и зона на вторично отвръщане (при предварително закалените образци). Тези зони притежават различна морфология и фазов състав, а съответно и различни механични характеристики.

Стопената зона се отличава с дендритен строеж, който според рентгеноструктурния анализ на стомани от този тип е около 90% Аост [1-4]. При кристализацията на стопилката около аустенитните дендрити се формира фин микроквазиевтектикум ледебурит. Твърдостта в тази зона е 550÷600 HV_0,1. Във втората зона частично разтопяване се наблюдава в микрообемите около първичните карбиди, където вследствие на дифузията на въглерода при високите температури настъпва микроевтектично стопяване. Зоната на закаляване от твърдо състояние е изградена от мартензито-карбидна смес и се харатеризира с висока твърдост 750÷780 HV_0,1 .

Заключения и изводи:

1. 
   Комбинираното плазмено-дъгово и повърхностно деформационно въздействие на стомана Х12МФ води до увеличаване на твърдостта на стопената зона с около 30% и на зоната закалена от твърдо състояние с около 10÷15%.
   
2. 
   Електронномикроскопски се установява наличие на фини дисперсни карбиди в закалената от твърдо състояние зона.
   
3. 
   Използваната методика на косия шлиф дава възможност за изледване на тънки повърхностни слоеве с формирани множество структурни състояния.
   

литература

[1] Киров С., Иванов И., Шамонин Ю., Георгиев С., Структура и свойства на стомана Х12 след комбинирано плазмено – дъгово въздействие и повърхностна пластична деформация, V Международен конгрес „Машиностроителни технологии’ 06”, 20 – 23 септември 2006 г., Варна, България, кн. 2, стр. 36 – 39

[2] Бровер Г. И., Варавка В. Н., Блиновский В. А., О возможности повышения эффективности лазерной закалки дополнительным пластическим деформированием, ЭОМ, 1989г., № 3, стр. 16 – 18

[3] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel, Vacuum 69 (2003) 513–516

[4] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface re-melting of AISI D2 cold-worked die steel, Surface and Coatings Technology 157 (2002) 1–4

[5] Bendikiene R, Žvinis J., Investigation of Transformation Plasticity of Tempered High Chromium Steel During Quenching, Materials Science (MEDŽIAGOTYRA). 2004, Vol. 10, No. 4 pp.317-320

[6] Фукс – Рабинович Г. С., Кузнецов А. Н., Леник К. С., Шаурова Н. К., Кузьмина Н. В., Влияние структурных характеристик контактных поверхностей на работоспособность вырубных штампов, Кузнечно – штамповочное производство, 1990 г., №9, стр. 25 – 27

[7] De Beure H., De Hosson J. Th. M. Wear induced hardening of laser processed chromium-carbon steel, Scripta METALLURGICA 1987, Vol. 21, pp. 627-632

[8] Run Wu, Chang-sheng Xie, Mulin Hu, Wei-ping Cai, Laser-melted surface layer of steel X165CrMoV12-1 and its tempering characteristics, Materials Science and Engineering A278 (2000)1–4

[9] Wei J., O. Kessler, M. Hunkel, F. Hoffmann, P. Mayr, Anisotropic phase transformation strain in forged D2 tool steel, Materials Science and Technology; Jul 2004; 20, 7, pp. 909 – 914

[10] Ivanov I. H., Deformation and thermal treatment of iron carbon alloys using concentrated energy fluxes, Proceedings VII ITSC on Advanced Manufacturing Operations, 17 – 19 September 2006, Sozopol, Bulgaria, pp. 146 – 151

За контакти: инж. Иван Христов Иванов, инж. Стелиан Желев Георгиев Технически университет - Варна, ул. “Студентска” №1E-mail: ivan_h_ivanov@mail.bg, stgeorgiev@abv.bg